Egy új tanulmány szerint minden idők legtitokzatosabb anyagformája, a sötét anyag egyfajta házasságközvetítői szerepet játszik a fekete lyukak életében, és segít nekik leküzdeni az utolsó akadályokat, mielőtt egymásba olvadnak.
A csillagászok már régóta tudják, hogy az óriásgalaxisok kisebb galaxisok egybeolvadásával keletkeznek. Amikor ez a folyamat megtörténik, a két összeolvadó galaxis közepén lévő szupernagy tömegű fekete lyukak is idővel egymásba spiráloznak, és összeolvadnak, mindeközben pedig gravitációs hullámokat bocsátanak ki. A gravitációs hullámok detektálásával bizonyítást nyert a fekete lyukak összeolvadásának elmélete, azonban továbbra is maradtak nyitott kérdések a folyamattal kapcsolatban: még a legjobb modellek sem tudják megmagyarázni azt, hogy a két szupernagy tömegű fekete lyuk hogyan küzdi le az egymáshoz való közeledés utolsó lépését. Ezt a megoldatlan kérdést az asztrofizikusok az „utolsó parszek problémája” névvel illették, ezzel kifejezve, hogy a fekete lyukaknak az 1 parszekes (vagy 3,3 fényéves) távolságküszöböt a legnehezebb legyőzniük ahhoz, hogy végül egymásba olvadhassanak.
Egy új kutatás szerint a válasz az Univerzum „sötét oldalán” keresendő, mégpedig oly módon, hogy a sötét anyag segít az egybeolvadás folyamatának megindításában, és az 1 parszekes küszöb átlépésében. Ehhez azonban szükséges az is, hogy a sötét anyag részecskéi kölcsönhassanak egymással.
A fekete lyukak összeolvadása már önmagában is bonyolult folyamat, hiszen a két fekete lyuknak először kettős rendszert kell alkotnia, majd a rendszer két tagjának fokozatosan és lassan egymáshoz egyre közelebb kell kerülnie. A fő problémát az okozza, hogy amikor a két fekete lyuk távolsága egy parszekké csökken. az elméletek szerint a közeledés folyamata megreked. Az újonnan megjelent tanulmány szerint ezt az utolsó küszöböt a galaxisok közepén sűrűn jelenlévő sötét anyag segíti átlépni.
A kutatást vezető Gonzalo Alonso-Álvarez szerint ahhoz, hogy a sötét anyag „házasságközvetítőként” működhessen az egybeolvadni készülő fekete lyukak között, fontos az, hogy a sötét anyag részecskéi összeütközzenek egymással, majd szétszóródjanak. Az új elmélet ezzel nem csak az utolsó parszek problémáját oldaná meg, hanem talán választ a modern kozmológia egyik alapvető kérdésére is, mégpedig arra, hogy vajon miből áll a sötét anyag.
Az Univerzum tömegének 85%-át kitevő sötét anyag mindig is egy igencsak rejtélyes anyagforma volt: noha már régóta tudunk a létezéséről, sőt, azt mérési eredményekkel sikerült igazolni is, még napjainkban is vitatott, hogy vajon miből állhat ez az önmagából fényt ki nem bocsátó, ámde a gravitációs kölcsönhatásokban résztvevő anyagtípus.
A fekete lyukak kozmikus tánca
Gonzalo Alonso-Álvarez szerint amikor két galaxis összeütközik, majd egymásba olvad, központi fekete lyukaik eleinte viszonylag távol vannak egymástól, és csak később kezdik meg a közeledést, amely végül a két objektum egybeolvadásáig tart. A közeledés kulcsa a két fekete lyuk energiavesztésében rejlik, amelynek a csillagászok három különböző szakaszát különítik el.
A folyamat első lépéseként az összeütköző galaxisok központi fekete lyukai nagy sebességgel haladnak el a környező csillagok mellett, és a velük való gravitációs kölcsönhatás miatt mozgásuk valamelyest lefékeződik. Ennek következtében a két összeolvadó galaxis alkotta új rendszernek kialakul egy új tömegközéppontja, amely maga felé vonzza a két fekete lyukat. A két fekete lyuk lassan egyre közelebb ér egymáshoz egészen addig, amíg 1 parszeknyi távolságba nem érnek.
Miután a két fekete lyuk olyannyira közel ért egymáshoz, hogy az 1 parszekes küszöböt átlépve tagjai egy kettős rendszert alkotnak, a két objektum elkezd egymás körül keringeni, és mindeközben gravitációs hullámok kibocsátása mellett további energiát veszít. Az energiaveszteség következtében a két fekete lyuk egyre közelebb kerül egymáshoz, míg végül egymásba olvadnak. Ez az összeolvadás folyamatának harmadik lépése.
Itt azonban felvetődik a kérdés: mi történik az összeolvadás második lépésében? A számítások szerint tehát eleinte a csillagok mellett való elhaladás segíti a két fekete lyuk közeledését, az 1 parszekes küszöb átlépése után pedig a gravitációs hullámok kibocsátásával járó fékeződés, amelynek elkerülhetetlen következménye az objektumok egymásba olvadása. Mindmáig azonban nem tudták megmagyarázni a modellek, hogy mi történik akkor, amikor körülbelül 1 parszek távolságba ér egymástól a két fekete lyuk: ekkor ugyanis az objektumok már nem tudnak energiát veszíteni a csillagokkal való kölcsönhatás miatt, de még nem kezdték meg egymásba spirálozásukat sem, így a modellek szerint az egymáshoz való közeledés megtorpan.
Itt jön képbe a sötét anyag: Alonso-Álvarez és munkatársai szerint amikor a két fekete lyuk körülbelül 1 parszeknyi távolságban van egymástól, a sötét anyag átveszi az irányítást, és az energiavesztés fő mechanizmusa az úgynevezett dinamikai súrlódás lesz.
A dinamikai súrlódást úgy a legegyszerűbb elképzelni, ha a sötét anyagot folyadékként modellezzük: a két fekete lyuk egy, a sötét anyag alkotta, igen viszkózus folyadékban igyekszik közelebb kerülni egymáshoz. (A viszkozitás a folyadékoknak az a tulajdonsága, amely kifejezi azt, hogy milyen nehéz áthaladni rajta egy tömeggel rendelkező testnek. A nagy viszkozitású folyadékokon nehezebben jutnak át az anyagok, mint a kis viszkozitású közegeken.) A sötét anyag ebben az esetben egy nagy viszkozitású folyadékra emlékeztet tehát, amelyen a fekete lyukaknak nehéz áthaladni, sőt, a mozgásuk közben súrlódást szenvednek el, és így energiát veszítenek. Ennek segítségével pedig sikeresen átléphetik az 1 parszekes küszöböt, és megkezdhetik életüket kettős rendszerként.
Ha ez az új elmélet helyesnek bizonyul, nem csak a fekete lyukak dinamikájáról, hanem a sötét anyag fizikájáról megtudhatunk újdonságokat. Az ezzel kapcsolatos számítások azonban pusztán analitikus jellegűek, a részletes szimulációk elkészítése, illetve az elmélet mérésekkel való tesztelése Alonso-Álvarez csoportjának jövőbeli tervei közé tartozik.
Az itt leírtak a Physical Review Letters nevű szaklapban jelentek meg.
A cikk forrása: https://www.space.com/dark-matter-final-parsec-problem